2020-05-21
80
Тема урока «Сверхпроводимость».
Учебный предмет: физика
Уровень школьников: 10 класс общеобразовательной школы
Форма учебной работы: классно-урочная
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Цели урока:
· Образовательные:
o Изучить сверхпроводимость, как явление (история открытия, низкотемпературная, высокотемпературная сверхпроводимость, куперовские пары, сверхпроводимость при комнатной температуре.)
o Рассмотреть зависимости свойства сверхпроводимости проводника от температуры, магнитного поля.
· Воспитательные:
o Продолжить формирование познавательного интереса учащихся;
o Воспитывать аккуратность, организованность, любознательность учащихся к науке, любовь к природе.
· Развивающие:
o Для развития мышления учащихся продолжить отработку умственных операций анализа, сравнения и синтеза;
o развивать логику, возможность работать в группах, способствовать развитию интеллектуальных способностей, побудить к активной работе.
|
|
|
Место урока в разделе «Основы электродинамики»
- урок проводится в 10 классе в главе «Электрический ток в различных средах» после изучения зависимости сопротивления проводника от температуры.
Оборудование: мультимедийная установка: компьютер, проектор, (Сопровождение - презентация к уроку) Программное обеспечение: пакет Microsoft Office-2003, операционная система Windows-95/98/2000/XP/
Дидактические материалы: тест, задания для групп.
Использование ИКТ позволяет вызвать особый интерес учащихся к трудной и важной теме (повторение ранее изученного материала).
План урока:
| Этапы урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика |
| 1. Организационный момент. | ||
| 2. Повторение зависимости сопротивления проводника от температуры. | 1.Постановка проблемы. | Повторяют, формулируют зависимости сопротивления проводника от температуры. Выдвижение гипотез. |
| 3.Изложение новой темы | 2.Историческая справка, нобелевские лауреаты. | Следят за слайдами и слушают учителя |
| 3. Низкотемпературная сверхпроводимость. Куперовские пары. | Пытаются самостоятельно сформулировать определение и записать его в тетрадь. | |
| 4 Высокотемпературная сверхпроводимость | Просмотр слайдов. | |
| 5. Зависимость свойства сверхпроводимости проводника от температуры и магнитного поля. | записывают зависимости | |
| 6. Перспективы этого явления | Слушают рассказ учителя. | |
| Обобщение и систематизация знаний | 7. Работа в группах | работают в группах с заданиями, защита проектов. |
| 3. Рефлексия. | Заканчивают предложения учителя | |
| 4. Домашнее задание. | подготовить сообщения о видах сверхпроводящих проводников. |
|
|
|
Ход урока.
Придумано кем-то просто и мудро-
При встрече здороваться: «Доброе утро!»
«Доброе утро!»-солнцу и птицам,
«Доброе утро!» улыбчивым лицам.
Здравствуйте.
Я очень люблю собирать грибы или просто гулять по лесу. А вы любите гулять по лесу? Скажите, когда прогулка по лесу бывает приятней, когда лес чистый или захламленный, с кустарниками, сухими ветками? Конечно же когда чистый. Мы с вами проходим электродинамику, рассматриваем сопротивление проводников. Когда сопротивление проводника больше, когда чистый проводник или с примесями? А почему?
Подумайте, как зависит сопротивление от температуры? Почему?
Известно, что любой токопроводящий материал обладает сопротивлением R. По закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемое постоянным электрическим током в участке цепи, равно произведению квадрата силы тока I на время его прохождения t и электрическое сопротивление R этого участка цепи. Как сделать так чтобы в электрическом проводнике не было сопротивления, которое приводит к некоторой потере силы тока преобразуя энергию электрических зарядов в тепловую при комнатной температуре? Многие учёные трудятся в поисках ответа на этот вопрос. Ответ на этот вопрос поставит нас в шаге перед созданием "вечного двигателя".
Закон Джоуля –Ленца на доске. Возможно ли такое? Вот сегодня мы попытаемся разобраться. Как вы уже догадались, мы поговорим с вами о таком состоянии вещества, когда сопротивление исчезает, при прохождении по нему электрического тока. Такое состояние вещества называется сверхпроводимостью.
Тема урока Сверхпроводимость
Историческая справка, нобелевские лауреаты.
Электрический ток – это движение заряженных частиц. Уже в то время было известно, что электрический ток в твердых телах – это поток электронов. Они заряжены отрицательно и намного легче, чем атомы, из которых состоит вещество.(слайд 3)
Каждый атом, в свою очередь состоит из положительно заряженного ядра и взаимодействующих с ним и между собой по Кулону электронов. Каждый атомный электрон занимает определенную “орбиту”. Чем ближе “орбита” к ядру, тем сильнее электрон притягивается к нему, тем большая энергия требуется, чтобы оторвать такой электрон от ядра. Наоборот, самые внешние от ядра электроны наиболее легко открываются от него, хотя и для этого нужно затратить энергию. Внешние электроны называют валентными. Они действительно отрываются от атомов, когда те объединяются в твердое тело, и образуют газ, почти свободных электронов. Это простая, красивая и часто оказывающаяся правильной физическая картина: кусок вещества представляет из себя как бы сосуд, в котором находится “газ” электронов.
Каждый атом, в свою очередь состоит из положительно заряженного ядра и взаимодействующих с ним и между собой по Кулону электронов. Каждый атомный электрон занимает определенную “орбиту”. Чем ближе “орбита” к ядру, тем сильнее электрон притягивается к нему, тем большая энергия требуется, чтобы оторвать такой электрон от ядра. Наоборот, самые внешние от ядра электроны наиболее легко открываются от него, хотя и для этого нужно затратить энергию. Внешние электроны называют валентными. Они действительно отрываются от атомов, когда те объединяются в твердое тело, и образуют газ, почти свободных электронов. Это простая, красивая и часто оказывающаяся правильной физическая картина: кусок вещества представляет из себя как бы сосуд, в котором находится “газ” электронов.
Если мы создали электрическое поле – приложили к исследуемому кусочку напряжение, – в электронном газе возникнет ветер как бы под действием разности давлений. Этот ветер и есть электрический ток.
|
|
|
Через диэлектрики ток не течет, валентные электроны как бы привязаны к своим атомам. Но и в металлах электроны движутся не вполне свободно. Они наталкиваются на атомные “остовы”, от которых “оторвались”, и рассеиваются на них. При этом возникает трение, или, как мы говорим, электрический ток испытывает сопротивление. В 1911 г. голландский физик Х. Камерлинго-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения электрического сопротивления ртути при очень низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить ”тепловой шум”, т.е. уменьшить температуру.(слайд4)
В 1913 г голландский физик Камерлинг – Оннес получил награду за экспериментальное обнаружение низкотемпературной сверхпроводимости В 1956 г три американских физика Бардин, Купер и Шлиффер дали теоретическое объяснение низкотемпературной сверхпроводимости (одновременно подобную теорию дал советский ученый Н.Н.Боголюбов (старший), но к Нобелевской премии он не был представлен). Нобелевской премии по физике 2003 года удостоены академик Виталий Лазаревич Гинзбург, Алексей Алексеевич Абрикосов и Энтони Дж. Леггетт за "пионерский вклад в теорию сверхпроводимости (слайд5)
Низкотемпературная сверхпроводимость.
Исследуя ртуть на прохождение электрического тока, Камерлинг – Оннес обнаружил, что при температуре 
(или при Т=4,2 К) электрическое сопротивление падало до нуля. Это явление и получило название сверхпроводимости. Исчезновение сопротивления электрическому току – один из главных проявлений открытого явления. А так как оно наблюдается при температуре вблизи 0 К (абсолютного нуля), то появилось дополнительное определение «низко температурная» сверхпроводимость. Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической температурой перехода.
|
|
|
В течение около 70 лет было обнаружено, что у 25 химических элементов и у 400 сплавов и соединений появляется сверхпроводимость при достижении каждым веществом своей критической температуры.(слайд7) Природа сверхпроводимости заключается в том, что два электрона в пустом пространстве отталкиваются (А). В кристалле же электрон притягивает к себе положительные ионы, сидящие в узлах кристаллической решетки. В результате он оказывается окруженным своего рода "облаком", заряженным положительно (Б). Этот заряд по абсолютной величине больше заряда электрона, и притяжение начинает преобладать над отталкиванием. Соседний электрон втягивается в "облако" - образуется куперовская пара. (слайд 8) И если достигнута «критическая температура», то все «куперовские пары» переходят в самое низшее энергетическое состояние. Говорят о «конденсации» «куперовских пар» Таким образом, «куперовские пары», находясь в низшем энергетическом состоянии, не способны отдавать ни энергию, ни количество движения как друг другу, так и окружающей их кристаллической решетке. Другими словами, «купервоские пары» перестают взаимодействовать с решеткой Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары.
Сверхпроводники при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера)Такие сверхпроводники отталкивают от себя магнитное поле. Именно на этом основан эффектный демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует, то есть парит, над сверхпроводником без всякой поддержки.(слайд 9)
Удивительный человек Копперфильд - затуманил мозги всему миру, никому и в голову не может придти, что он попросту изготовил огромную сверхпроводящую чашу, надел на себя кольчугу из большого числа маленьких магнитов, спрятал всё это одеждой и заработал на удивительном обмане удивительное состояние.
Еще более поразительные эксперименты проводились голландскими учеными. Они умудрились подвесить в воздухе живую лягушку. Земноводное помещалось над сверхпроводящей катушкой. Мощное поле воздействовало прямо на клетки тела, создавая в них магнитный момент, противоположный магнитному полю Земли. Таким образом создавались силы, нейтрализующие тяготение. Доктор Андре Гейн и его коллеги из университета в городе Наннели заявили, что вскоре с помощью своей аппаратуры они смогут поднимать в воздух любой объект, в том числе и человека. По-крайней мере сразу же после эксперимента с лягушкой, эти ученые успешно подвесили в воздухе бутерброд, оставшийся у них от завтрака... Голландцы утверждают, что их лягушка - первое живое существо, поднявшееся в воздух без посредства преобразования механической энергии (то есть без прыжка, броска, крыльев, пропеллера, реактивной струи или взрывной волны), а иным способом, получившим название "молекулярный магнетизм". Но так ли это? В свете успешных экспериментов доктора Гейна уже совсем иначе выглядят истории о левитирующих святых и ведьмах. Ведь лабораторные опыты только повторяют условия, возникающие порой в естественной природной среде.
Если найдётся смелый бизнесмен, то мы можем создать аналогичный аттракцион в одном из московских цирков или парков. И тогда каждый желающий сможет надеть на себя магнитную кольчужку и на время стать Копперфильдом. В этом смысле искусство и шоу бизнес переходят на более высокий уровень: летающий цирк, летающий балет, летающие певцы.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Физики упорно искали проводники, в которых сверхпроводящее состояние должно было появиться буквально при «комнатных температура». Такое сверхпроводящее состояние назвали «высокотемпературной» сверхпроводимостью.
И усилия ученых были вознаграждены. В 1986 г Беднорц и Мюллер оповестили научный мир о своем открытии. Вскоре во многих лабораториях мира опыты этих ученых были повторены, факт существования высокотемпературной сверхпроводимости был подтвержден. Критические температуры таких веществ, правда, еще не были буквально комнатными, но достигали десятков градусов кельвин, они находились вблизи температур жидкого азота и кислорода, получение которых в жидком состоянии уже не было таким дорогостоящим, как получение жидкого гелия. Высокотемпературные сверхпроводники, обычно сделанные на основе медных окисей, проводят электричество без всякого сопротивления при температурах вблизи точки кипения азота: минус 196 градусов по Цельсию.
Оказалось, что высокотемпературные сверхпроводники – это твердые керамические соединения. А изготовлять гибкие провода из керамики еще не научились. Так что практического применения высокотемпературные соединения пока не нашли. И что еще главное – до сих пор непонятна природа высокотемпературной сверхпроводимости. Но если учесть, что и низкотемпературная сверхпроводимость получила теоретическое объяснение только через 45 лет, то «есть еще время. Причина в том, что материал для промышленного сверхпроводящего кабеля должен ещё и не бояться сильного магнитного поля. А с этим у сверхпроводников проблемы. Поле разрушает в них состояние сверхпроводимости. Зависимость свойства сверхпроводимости проводника от температуры и магнитного поля.У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. (слайд 12)Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов Тк (23К), а также у керамик (Тк > 77,4К –высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К. В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди Сu, которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с Тк (23К) объясняется наличием в веществе пар электронов, (пары Купера), Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов, с каким-либо другими квазичастицами.. Сверхпроводимость была таки обнаружена за пределами мира металлов. Экспериментируя с органическим веществом из класса ион-радикальных солей, доктор физико-математических наук И.Ф. Щеголев, добился перехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалы температур и при нормальном давлении. Карбин – органическое вещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого -бесконечные линейные цепочки из атомов углерода.Свою структуру сохраняетпри нагреве до 2000 С, а затем, начиная примерно с 2300 С, онаперестраивается по типу кристаллической решётки графита.(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…)) Перспективы этого явления
Ответ на этот вопрос поставит нас в шаге перед созданием "вечного движителя" а может и "вечного двигателя".
Сверхпроводящие ЛЭП всё ещё остаются фантастикой, но теперь - более реальной и близкой.
Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в
Сегодня сверхпроводимость используют и в транспорте (монорельсы), и в медицине (различные датчики, снимающие магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы), и при производстве гигантских ускорителей, и при постройке экспериментальных термоядерных реакторов. Несомненно, что использование сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться - взять хотя бы квантовые компьютеры, в которых без сверхпроводимости не обойтись.
Работа в группах. Задания двух уровней: творческого и познавательного.
Защита проектов.
Рефлексия. Продолжить фразу.
• Вы, знаете, что сегодня на уроке я…
• Больше всего мне запомнилось…
• Мне не все понравилось, потому,что...
• Самым интересным было…
Домашнее задание: подготовить сообщения о видах сверхпроводящих проводников.
